地鐵車站深基坑動(dòng)態(tài)施工過程變形規(guī)律與數(shù)值仿真分析

楊 波，孫大齊，周記名

(1.浙江華東建設(shè)工程有限公司，浙江 杭州 310000；2.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；3.中國土木工程集團(tuán)有限公司，北京 100038)

地鐵深基坑工程是一項(xiàng)危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程，建設(shè)場(chǎng)區(qū)一般位于城市交通干道上，周邊環(huán)境十分復(fù)雜，由于周邊建筑物眾多、管網(wǎng)密集、環(huán)境保護(hù)要求高、基坑支護(hù)、出土及主體結(jié)構(gòu)施工工期短、工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)性要求高等因素，給巖土工程界提出了許多技術(shù)難題，已成為國內(nèi)外巖土工程中發(fā)展最為活躍的領(lǐng)域之一[1-9]。因城市地鐵深基坑開挖造成的土體變形是一個(gè)不可逆的塑性變形，基坑工程在開挖過程中具有的時(shí)間和空間效應(yīng)使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍土體的變形規(guī)律具有明顯的非線性，研究動(dòng)態(tài)施工過程中基坑的變形規(guī)律對(duì)基坑安全和變形控制皆有重要意義。孫凱[10]等人對(duì)深基坑預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力進(jìn)行了數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，兩者結(jié)果基本一致。黃傳勝[11]采用有限元法分析深基坑開挖引起的變形，并嘗試采用灰色系統(tǒng)、馬爾科夫鏈及人工視神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)變形進(jìn)行預(yù)測(cè)。王玉田等[12]采用MIDAS GTS軟件對(duì)青島地鐵流亭機(jī)場(chǎng)站進(jìn)行了數(shù)值分析，指出地表的沉降曲線，初期隨著距離基坑邊線的增加呈“三角形”，后期逐漸演變?yōu)椤鞍肌毙巍１疚囊阅暇┑罔F虹橋站深基坑工程為依托，結(jié)合土體開挖過程中基坑各項(xiàng)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，嘗試?yán)肍LAC 3D軟件建立車站深基坑的三維數(shù)值仿真模型，對(duì)基坑的開挖和支護(hù)動(dòng)態(tài)施工過程進(jìn)行模擬，對(duì)比研究數(shù)值仿真的變形計(jì)算結(jié)果與監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，總結(jié)深基坑工程在動(dòng)態(tài)施工過程中的一般變形規(guī)律。

1 工程概況

1.1 車站基本情況

南京地鐵虹橋站為9 m無柱兩層框架式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，車站有效站臺(tái)中心里程為K31+794.600，車站起點(diǎn)里程右K31+710.350，終點(diǎn)里程右K31+929.350。虹橋站位于中山北路與新模范馬路交叉路口北側(cè)，沿中山北路南北向跨路口布設(shè)，現(xiàn)狀寬度40 m。新模范馬路，現(xiàn)狀寬度60 m，如圖1所示。

圖1 擬建虹橋站平面位置示意圖Fig.1 Location of the proposed Hongqiao Station

車站主體總長度219 m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬度18.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑平均深度18.76 m(盾構(gòu)井段18.86 m)，覆土厚度約3 m，車站結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工，主體結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)。車站支護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的圍護(hù)方案，首道砼支撐(800 mm×1 000 mm)，3道鋼管支撐(φ609 mm，t=16 mm)，墻體嵌固深度標(biāo)準(zhǔn)段為19.00 m，盾構(gòu)井段為24.70 m，如圖2所示。

1.2 場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件

擬建車站場(chǎng)地處于秦淮河漫灘區(qū)，砂土、粉土及軟土較發(fā)育，地下水位較高，工程地質(zhì)條件一般。各巖土層工程特征分述如下：

①-1層填土，厚度0.5～6.6 m，松散—稍密狀態(tài)；②-1d3層粉砂，呈稍密，局部中密狀態(tài)，中低壓縮性；②-2c3層粉土，呈稍密狀態(tài)，局部夾薄層粘性土，中壓縮性；②-3c2-3層粉土，呈稍密—中密狀態(tài)，夾粉砂薄層，中等壓縮性；②-3d1-2層粉砂，呈中密—密實(shí)狀態(tài)，局部夾粉土薄層，中低壓縮性，水平層理發(fā)育；②-3b3-4層粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，呈流塑狀態(tài)，局部為軟塑，局部夾薄層粉砂、粉土，水平層理發(fā)育，高壓縮性；②-4b2層粉質(zhì)黏土，呈可塑狀態(tài)，中等壓縮性；②-5e含礫粉質(zhì)黏土，呈軟塑—可塑狀態(tài)，卵礫石含量20%左右，局部混砂巖碎塊，土質(zhì)不均，中等壓縮性；J3l-2層強(qiáng)風(fēng)化巖，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯多呈碎塊狀，位于車站南側(cè)；J3l-3層中風(fēng)化巖，巖芯多呈長柱狀，巖體較完整，巖石強(qiáng)度較高，為軟巖—較軟巖；J1-2x-2層強(qiáng)風(fēng)化巖，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖芯多呈碎塊狀、砂土狀；J1-2x-3層中風(fēng)化巖，巖芯多呈長柱狀，巖體較完整，巖石強(qiáng)度較高，為較軟巖—較硬巖。各層土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如下表1。

圖2 基坑支撐平面和斷面圖Fig.2 Foundation pit support plan and profile

2 基坑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)

為了更好地說明仿真數(shù)據(jù)的精度，揭示動(dòng)態(tài)施工過程中基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊土體變形的一般規(guī)律，同時(shí)也為了保證基坑的穩(wěn)定和周邊環(huán)境的安全，在基坑周邊布置了多種類型的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖2(a)所示監(jiān)測(cè)位置與仿真，布置了地下連續(xù)墻墻頂水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)DS01，采用全站儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，在地表距離基坑邊0、2.5、5、15、35 m處布置地表沉降位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，依次為JS01、JS02、JS03、JS04、JS05，采用全站儀進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。在基坑開挖期間，監(jiān)測(cè)頻率皆為1次/24 h，墻體水平位移和地表城建位移限制均為基坑深度的0.15%，且不超過30 mm。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil layer

3 基坑數(shù)值仿真模型建立

從圖2(a)可知，虹橋站車站基坑為長條形基坑，為2層標(biāo)準(zhǔn)站，幾何尺寸上具有對(duì)稱性，由地勘報(bào)告可知，沿車站縱向地層起伏不大，同時(shí)，場(chǎng)區(qū)1～2倍基坑深度范圍內(nèi)無建筑物和對(duì)分析造成明顯影響的外荷載，由此，根據(jù)對(duì)稱性原理和相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果[13-17]，避免數(shù)值軟件的冗余模擬，建立FLAC 3D基坑三維模擬，如圖3所示，沿基坑縱向?yàn)?5 m，基坑寬度為標(biāo)準(zhǔn)段寬度20.10 m(含地連墻厚)，基坑深度取標(biāo)準(zhǔn)段斷面開挖深度19.20 m(如圖2(b)所示)，為避免邊界效應(yīng)的影響，土體模型尺寸應(yīng)該在每個(gè)維度上為基坑模型的2～3倍，本文取為3倍，即長×寬×高為：115 m×60.30 m×57.6 m。按FLAC 3D軟件自動(dòng)網(wǎng)格生成器對(duì)整體模型進(jìn)行網(wǎng)格自動(dòng)劃分，共獲取273 223個(gè)單元，108 934個(gè)節(jié)點(diǎn)。

模擬時(shí)，采用軟件內(nèi)嵌的null模型實(shí)現(xiàn)土體單元的“消失”，模擬基坑的動(dòng)態(tài)施工開挖，采用實(shí)體彈性體單元模擬地下連續(xù)墻，混凝土支撐和鋼支撐按彈性本構(gòu)考慮，采用梁單元進(jìn)行模擬，其模擬參數(shù)參見表2所示，土體的本構(gòu)模型采用摩爾庫倫本構(gòu)，其模擬參數(shù)見表1所示。墻體邊界接觸處理采用軟件內(nèi)嵌的接觸面模擬，地連墻底部按固結(jié)考慮。

圖3 車站支護(hù)體系三維模型Fig.3 Three dimensional model of station support system

為考慮施工開挖和支撐架設(shè)的動(dòng)態(tài)性，對(duì)不同開挖過程進(jìn)行工況分析，建立如下五種工況：

工況一：地下連續(xù)墻完成，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)封閉，基坑開挖至地表下2.0 m，施作第一道混凝土支撐。

工況二：基坑繼續(xù)開挖至地表以下8.0 m，并施作第2道鋼支撐。

工況三：基坑繼續(xù)開挖至地表以下13.5 m，并施作第3道鋼支撐。

工況四：基坑繼續(xù)開挖至地表以下17.5 m，并施作第4道鋼支撐。

工況五：基坑開挖至基坑底，即地表下19.20 m。

表2 支護(hù)體系材料參數(shù)Tab.2 Material parameters of support system

4 仿真結(jié)果與監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

基坑的動(dòng)態(tài)施工將引起基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支護(hù)體系和土體的協(xié)同變化，F(xiàn)LAC 3D對(duì)三維結(jié)構(gòu)和土體的變形具有可視化直觀云圖顯示功能，從云圖中可以抽取墻體水平位移、基坑周邊土體位移和基底隆起量，具體分析結(jié)果如下。

4.1 地下連續(xù)墻水平位移分析

圖4為基坑開挖至基坑底部時(shí)的地下連續(xù)墻云圖。從圖中可以看出，地下連續(xù)墻的位移沿墻身范圍主要發(fā)生在結(jié)構(gòu)外側(cè)，呈現(xiàn)出“弓”形，表現(xiàn)為在地連墻頂部和嵌固段水平位移值較小，中間段累積水平位移較大，表明深基坑在開挖過程中需要控制中間段的變形發(fā)展，避免因此產(chǎn)生的變形擾動(dòng)引發(fā)基坑周邊土體的附加沉降。

通過抽取標(biāo)準(zhǔn)段斷面的墻體水平位移模擬數(shù)據(jù)和該斷面處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)DQ20數(shù)據(jù)，典型對(duì)比圖如圖5所示。從圖中可以看出，在基坑開挖初期，如工況一條件下，基坑的開挖深度較淺，僅為2 m，同時(shí)架設(shè)了混凝土支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)水平位移和數(shù)值模擬結(jié)果兩者基本一致，且水平位移值較小，最大水平位移小于1 mm，水平位移曲線大致呈“弓”形，當(dāng)進(jìn)一步對(duì)基坑進(jìn)行開挖，如工況二條件下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)水平位移和數(shù)值模擬結(jié)果沿墻身變化曲線大致呈“弓”形，峰值水平位移出現(xiàn)在開挖面8.0 m附近，最大位移值小于7.5 mm，已開挖段墻體監(jiān)測(cè)水平位移和數(shù)值模擬結(jié)果接近，但在基坑開挖面以下墻體監(jiān)測(cè)水平位移值比數(shù)值模擬結(jié)果大約15%，同時(shí)兩者的數(shù)值逐漸收斂，在墻底嵌固段范圍內(nèi)趨于一致。從工況三至工況五的監(jiān)測(cè)水平位移和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比曲線發(fā)現(xiàn)，規(guī)律與工況二類似，此處不再累述。

圖4 基坑地下連續(xù)墻水平位移云圖Fig.4 Cloud chart of horizontal displacement of diaphragm wall

圖6為工況一至工況五施工過程中地下連續(xù)墻的水平位移曲線。從圖中容易看出，動(dòng)態(tài)施工對(duì)墻體的水平位移的累積作用，主要表現(xiàn)為：(1)無論何種工況條件下，墻體水平位移沿深度曲線變化大致呈“弓”形；(2)對(duì)比五種工況條件，容易看出水平位移峰值都出現(xiàn)在開挖面附近，且隨著基坑開挖和支護(hù)架設(shè)的動(dòng)態(tài)施工，水平位移峰值呈非線性增加；(3)從工況一至工況二，墻體的水平位移發(fā)展迅速，而從工況二至工況五，開挖面以上墻體水平位移接近，而開挖面以下墻體水平位移增幅明顯，在墻底位置處收斂，表明在基坑開挖初期應(yīng)采取措施控制墻體變形(如縮小支撐間距和及時(shí)架設(shè)支撐等)，同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，防止變形過快過大增長，另一方面，基坑的動(dòng)態(tài)施工使土壓力不斷傳遞給支撐和地下連續(xù)墻嵌固段，由此造成開挖面以下墻體的位移增加，而開挖面以上支撐的架設(shè)對(duì)墻體水平位移的控制具有正面效應(yīng)。

圖5 不同工況下的地下連續(xù)墻水平位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.5 Comparison of measured and simulated horizontal displacement data of diaphragm wall under different working conditions

圖6 不同工況下的地下連續(xù)墻水平位移Fig.6 Horizontal displacement of diaphragm wall under different working conditions

4.2 基坑周邊土體沉降分析

圖7為基坑開挖時(shí)周邊和基坑底的土體變形云圖(工況二)。從圖中可以看出，地表的變形主要集中在基坑兩側(cè)，數(shù)值在基坑橫剖方向上呈現(xiàn)出中間大兩邊小的規(guī)律，計(jì)算最大水平位移為2.20 mm。在同一工況下，對(duì)基坑的土體沉降進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，每隔24 h讀取基坑邊不同距離處的沉降值，典型曲線如圖8所示，從圖中可以看出，在同一工況條件下，隨著時(shí)間的推移，不同位置距離位置處的位移值呈現(xiàn)不斷重分布的過程，但整體曲線仍呈“凹”形，基坑開挖后24 h范圍內(nèi)(圖中10月30日沉降曲線)，實(shí)測(cè)沉降值為1.65 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果接近，但隨著時(shí)間的推移，周圍土體受到開挖的擾動(dòng)影響，土體附加應(yīng)力增加，沉降變形不斷累積，在11月7日達(dá)到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的最大值為3.80 mm，比計(jì)算值2.20 mm大72%，因此，深基坑在開挖過程中，控制施工速率，減少基坑曝露時(shí)間，及時(shí)架設(shè)支撐以避免周邊土體的不可逆塑性變形的積累。

圖7 地表土體沉降和基坑底土體位移云圖Fig.7 Cloud chart of surface soil settlement and foundation pit bottom soil displacement

圖8 工況二條件下基坑地表土體沉降變化曲線Fig.8 Settlement curve of foundation pit surface soil under condition II

圖9為工況一至工況五施工過程的周邊土體沉降曲線。可知，地表土體受基坑開挖的影響范圍主要在基坑邊1H(H為基坑深度)范圍內(nèi)，不同工況下沉降曲線大致呈拋物線形，且沉降峰值呈線性增加，峰值沉降發(fā)生在0.5H附近。施工時(shí)在此范圍內(nèi)的建筑(構(gòu))物、地下管網(wǎng)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，保證基坑的安全和減少對(duì)周邊環(huán)境的影響。

圖9 不同工況下的地表沉降曲線Fig.9 Surface settlement curve under different working conditions

4.3 基坑底隆起量分析

結(jié)合圖7和圖10可知，基坑隆起量也與基坑開挖過程有關(guān)，土體的隆起曲線大致呈對(duì)稱拋物線狀，土體的最大隆起發(fā)生在基坑中軸線附近，在圍護(hù)墻附近隆起量最小，隨著開挖深度的增加隆起量呈非線性增加，從工況四至工況五，基坑底的隆起增幅小，土體受到的隆起變形趨于穩(wěn)定，隆起峰值為28 mm。

圖10 不同工況下的基底隆起曲線Fig.10 Uplift curve of basement under different working conditions

5 結(jié)論

1)地連墻水平位移在墻身范圍內(nèi)，大致呈“弓”形，隨著基坑的開挖而呈非線性增加，位移峰值出現(xiàn)在基坑開挖工作面附近。

2)地表土體受基坑開挖的影響范圍主要在基坑邊1H～1.5H(H為基坑深度)范圍內(nèi)，不同工況下沉降曲線大致呈拋物線形，且沉降峰值呈線性增加，峰值沉降發(fā)生在0.5H附近；在同一工況條件下，隨著時(shí)間的推移，不同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移值呈現(xiàn)不斷重分布的過程，但整體曲線仍呈“凹”形。

3)基坑隆起量也與基坑開挖過程有關(guān)，土體的最大隆起發(fā)生在基坑中軸線附近，隨著開挖深度的增加隆起量呈非線性增加。

4)支撐的架設(shè)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和土體的沉降控制能起到良好正面作用，支撐延遲架設(shè)對(duì)變形的發(fā)展極為不利。